一種新型機電保護裝置設計

文曉娟+岳麗敏

摘 要：針對電機使用時間過長，發熱情況加劇而引起電機內部線圈外套絕緣層燒毀，從而導致短路、電機嚴重損壞或者報廢等情況的產生，設計一種新型機電保護裝置。利用形狀記憶合金在加熱狀態下恢復初始形狀、在常溫下原狀改變的形狀記憶效應，通過一系列機械裝置，觸發電機保護設備及開關，及時切斷電機供電電源，有效解決了電機運行過程中溫度過高帶來損傷的問題。

關鍵詞：電機過熱；形狀記憶；合金保護裝置

引言

電機作為電氣或機械系統的動力源廣泛地應用在各類系統中，在生產中扮演著重要的角色。電機在正常運行時產生的損耗，以及一些外部因素，如電機操作環境溫度與濕度過高，電機長期過載使用，通電電壓不適當，電源線、熱繼電器、通風系統等影響電機散熱的配套部件的損壞，電機頻繁啟動與換向等，都會引起電機的發熱。發熱引起的高溫將會導致電機內部繞組絕緣材料加速老化，其性能急劇降低，大幅度地縮短了電機的使用壽命。在一些嚴重的情況下，如果不及時切斷電源，電機內部某部位將會瞬間被燒斷，甚至導致電機著火、人員觸電等危險。

通過保持適宜的操作環境、全面檢測電機的配套設備和線路、減少電機多余載荷、在電機中裝入熱保護裝置與過載保護裝置等措施，均可有效地減少電機過熱現象引起的損傷。本文將介紹一種基于形狀記憶合金材料設計的新型電機熱保護裝置。

1 形狀記憶合金簡介

形狀記憶合金（Shape Memory Alloys， 簡稱SMA）是一種特殊的新型功能材料，是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經塑性形變并固定成另一種形狀后，通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金這種特殊功能稱為形狀記憶效應（Shape Memory Effect，SME）。普通金屬材料受到外力作用時，會先產生塑性變形，外力撤去后，普通金屬會存在一部分不可恢復的殘余變形即永久變形。而形狀記憶合金不同，當外力加載使得形狀記憶合金產生塑性變形，在外力卸載后，通過加熱的方式可以使材料的塑性變形消失。如圖1所示。

形狀記憶合金的這一特殊特性自20世紀50年代被發現以來，因其成本低廉、加工簡便、性能獨特而備受矚目，在航空航天、醫療器械、機械電子、汽車石化、能源開發等領域取得了廣泛的應用。目前市場上使用的形狀記憶合金有鎳-鈦系、銅系、鐵系三大類。

2 方案原理

保護裝置結構如圖2所示。裝置里上下底板各一個，進線螺栓、出線螺栓、形狀記憶合金、導電片、固定螺栓、限位孔、導電塊、墊片各三組，分別針對電機三相定子繞組設置。下底板1、進線螺栓3、出線螺栓4、導電片6和導電塊9均為銅材料制成，上底板2為絕緣體材料。上下底板兩者對應固定開設有四個螺紋孔11，可將裝置固定在電機內部合適的位置。進線螺栓3和固定螺栓7與下底板接觸處均有階梯狀的墊片10進行活動連接。形狀記憶合金5與導電片6上下重疊放置，一端通過進線螺栓3固定，另一端通過螺栓7固定。導電片6的底面固定連接記憶合金5的上表面，另一端活動連接于限位孔8內。出線螺栓4固定連接在上底板2的右側，其頂端固定連接導電塊9。

保護裝置適用于帶有短路保護器的電機控制線路。裝置里三組進線螺栓3分別接電動機三相定子繞組的進線，三組出線螺栓4分別錯相接出線，比如三組進線螺栓3分別接L1、L2、L3，三組出線螺栓4可接L2、L3、L1。當電機正常工作時，周圍環境溫度正常，形狀記憶合金5如圖2所示長度較短，并不彎曲變形，導電片6和導電塊9如圖2所示并不接觸。當電機長時間運行或者因過載、通風系統異常等現象導致發熱時，所接觸環境的高溫使得形狀記憶合金5產生變形，長度變長。由于形狀記憶合金兩端通過螺栓3和螺栓7固定，下方階梯狀的墊片10對其產生向上的支撐力，形狀記憶合金5必定會向上拱起彎曲變形。此時導電片6就會在形狀記憶合金5的推力下和導電塊9相接觸，電路經由進線螺栓3、導電片6、導電塊9、出線螺栓4導通，此時發生短路情況，將會觸發電機的短路保護器或空氣開關工作，及時切斷電機供電源，從而保護電機在發熱情況下不會發生部件損壞或燒毀的情況。當電機發熱故障排除，內部溫度恢復到常溫時，由于形狀記憶合金的形狀記憶效應，形狀記憶合金5會恢復到圖2所示的常態，為以后的電機熱保護做好準備。

3 結束語

作為一種新型機電保護裝置，利用形狀記憶合金的形狀記憶效應，通過進線螺栓、出線螺栓、導電片、導電塊等一系列裝置，在電機過熱時觸發短路保護器，及時切斷供電電源，避免了高溫情況下電機部件損壞或燒毀的情況發生。此裝置結構簡單，工作性能穩定可靠，價格低廉，實施安裝方便，適用于多種電機以及其他需要熱保護的機電設備上。

本裝置已獲國家使用新型專利，專利號：ZL 2016 2 0421192.8，具備一定的工業應用與推廣價值。

參考文獻

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[3]楊會翔.一種新型雙核微機機電保護裝置設計[J].實驗室研究與探索，2015（3）：150-154.

作者簡介：文曉娟（1982-），女，河南駐馬店人，碩士，講師，鄭州鐵路職業技術學院機電工程系專任教師，研究方向：軌道交通機電，人才培養模式。

岳麗敏（1980-），女，河南新鄉人，碩士，副教授，鄭州鐵路職業技術學院機電工程系專任教師，研究方向：機電一體化技術。